周期与多周期的比较指令流水线

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1、第一讲流水线数据通路和控制逻辑第二讲流水线冒险处理第三讲高级流水线技术Ch7:InstructionPipeline指令流水线第一讲流水线数据通路和控制日常生活中的流水线处理例子：洗衣服单周期处理器模型和流水线性能比较什么样的指令集适合于流水线方式执行如何设计流水线数据通路以MIPS指令子集来说明详细设计取指令部件详细设计执行部件分析每条指令在流水线中的执行过程，遇到各种问题：资源冲突寄存器和存储器的信号竞争分支指令的延迟指令间数据相关如何设计流水线控制逻辑分析每条指令执行过程中的控制信号给出控制器设计过程流水线冒险的概念主要内容复习：ASingleCycleProcessor32ALUct

2、rClkbusWRegWr3232busA32busB555RwRaRb3232-bitRegistersRsRtRtRdRegDstExtenderMuxMux3216imm16ALUSrcExtOpMuxMemtoRegClkDataInWrEn32AdrDataMemory32MemWrALUZero010101InstructionFetchUnitClkInstruction<31:0>JumpBranch<21:25><16:20><11:15><0:15>Imm16RdMainControlopALUControlfuncALUop3RegDstALUSrc:<5:0><31:

3、26>Instr<15:0>Zero3复习：MultipleCycleProcessorMCP:一个功能部件在一个指令周期中可以被使用多次。IdealMemoryWrAdrDinRAdr323232DoutMemWr32ALU3232ALUOpALUControlInstructionReg32IRWr32RegFileRaRwbusWRb5532busA32busBRegWrRsRtMux01RtRdPCWrALUSelAMux01RegDstMux0132PCMemtoRegExtendExtOpMux01320123416Imm32<<2ALUSelBMux10Target32Zero

4、ZeroPCWrCondPCSrcBrWr32IorD复习：TimingDiagramofaLoadInstructionClkPCRs,Rt,Rd,Op,FuncClk-to-QALUctrInstructionMemoryAccessTimeOldValueNewValueRegWrOldValueNewValueDelaythroughControlLogicbusARegisterFileAccessTimeOldValueNewValuebusBALUDelayOldValueNewValueOldValueNewValueNewValueOldValueExtOpOldValue

5、NewValueALUSrcOldValueNewValueAddressOldValueNewValuebusWOldValueNewDelaythroughExtender&MuxDataMemoryAccessTimeInstructionFetchInstrDecode/Reg.FetchAddressRegWrDataMemoryRegisterFileWriteTime132LaundryExampleAnn,Brian,Cathy,Daveeachhaveoneloadofclothestowash,dry,andfoldWashertakes30minutesDryerta

6、kes40minutes“Folder”takes20minutesABCDPipelining:It’sNatural!一个日常生活中的例子—洗衣服如果让你来管理洗衣店，你会如何安排？SequentialLaundry（串行方式）串行方式下，4批衣服需要花费6小时（4x(30+40+20)=360分钟）N批衣服，需花费的时间为Nx(30+40+20)=90N如果用流水线方式洗衣服，则花多少时间呢?ABCD3040203040203040203040206PM7891011MidnightTaskOrderTimePipelinedLaundry:(StartworkASAP)串行方式为6小

7、时，N批则为90N分钟ABCD6PM7891011MidnightTaskOrderTime304040404020只需30+4x40+20=210分(3.5小时)如果有N批衣服呢？所花时间为：30+Nx40+20分钟假定每一步时间均衡，则比串行方式提高约3倍！流水方式下，所花时间主要与最长阶段时间有关！复习：Load指令的5个阶段Ifetch(取指):从指令存储器取指令并计算PC+4(用到哪些部件？)Reg